環(huán)保水性涂料在軌道車輛涂裝中的使用

宗 嶼

（青島中車四方軌道車輛有限公司，山東 青島 266000）

近年來我國引進高速動車組技術(shù)，鐵路客車的需求量也逐年遞增，軌道交通裝備制造業(yè)包括了動車組、地鐵、普通鐵路客車、輕軌等，得到迅速發(fā)展。為了增強軌道客車的車體防腐裝飾性，有必要對車體完成涂裝處理。如今廣泛用于鐵道車輛的水性涂料，除了降噪減振作用的阻尼涂料，還有大部分溶劑類涂料應(yīng)用，含有50%的有機溶劑，在施工中涂膜表面與噴漆漆霧內(nèi)有機溶劑會揮發(fā)至車間空氣中，涂料霧滴溶劑揮發(fā)還會在車間內(nèi)產(chǎn)生粉塵，導(dǎo)致涂裝車間VOC排放量超標(biāo)，氣味刺鼻對接觸人員的身體健康造成破壞，甚至污染大氣破壞生態(tài)環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)軌道車輛每年大約耗費涂料新造、翻修用量為2萬t，根據(jù)50%以上溶劑含量計算每年溶劑向大氣中排放量高達(dá)1萬t以上。在近年來我國打好污染防治環(huán)保攻堅戰(zhàn)背景下，嚴(yán)格控制VOC排放量，水性涂料以自身良好的透氣性、延展性、不易開裂、耐老化，不含苯及苯的衍生物類有機溶劑。本研究介紹了軌道車輛涂裝水性漆的技術(shù)特點、施工工藝、生產(chǎn)中可能遇到的問題與具體補救措施。

1 水性涂料配套體系

根據(jù)國外軌道交通行業(yè)的水性涂料目前應(yīng)用現(xiàn)狀，能夠發(fā)現(xiàn)配套底漆一般運用改性水性環(huán)氧類涂料，包括聚酯類、聚氨酯類、丙烯酸類，水性底色漆所用包括丙烯酸類、聚氨酯類，有高達(dá)50%~60%的施工固體分。結(jié)合本文軌道客車的實際運行環(huán)境和氣候條件情況，以溶劑型涂料在鐵路客車車體涂裝工藝為借鑒，運用現(xiàn)有涂改設(shè)施選擇水性涂料配套體系，如表1為軌道交通行業(yè)中得以廣泛應(yīng)用的涂裝體系。

表1 水性涂料涂裝配套體系Tab.1 Water-based coating system

通過在車體側(cè)端墻面和車頂部，運用水性底色漆+清漆涂層體系，確保防腐基礎(chǔ)上有效增強車體的外皮色彩與整體光澤度，在底色漆可以選擇將云母粉、銀粉添加涂料中，能夠增強車體表面的閃光效果，并且極大地增強了車體的外表面質(zhì)量。在車體的底部支架選擇水性底漆與環(huán)氧厚漿型涂層，這是由于水性環(huán)氧厚漿漆涂抹的韌性較強，能夠增強對車體的底部抗沙石撞擊打能力與防腐性能。在車體內(nèi)部運用水性底漆和水性阻尼涂料體系，可以明顯增強車體的防腐與隔音降噪能力。

2 涂裝工藝

2.1 涂裝工藝流程

圖1為水性涂料在使用中的涂裝工藝流程圖。

圖1 水性涂料的涂裝工藝流程圖Fig.1 Coating process flowchart of waterborne coating

2.2 涂裝技術(shù)要求

在使用水性涂料進行涂裝中，需要達(dá)到以下技術(shù)要求：

（1）在噴砂工序中，粗糙度技術(shù)規(guī)定范圍控制為3.2~12.5 μm；

（2）在水性環(huán)氧底漆涂裝工序中，主劑和固化劑的配比要控制為2∶1；濕膜厚度控制范圍為170~180 μm；干膜厚度控制范圍為80 μm以上。固化時第一種方法為3 h，60℃冷卻至正常室溫，第二種方法為16 h室溫條件下固化；

（3）在水性環(huán)氧厚漿漆工序中，主劑和固化劑配比要控制為2∶1；進行2遍噴涂，保證每一遍噴涂濕膜厚度控制范圍為150~180 μm；干膜厚度控制范圍為150 μm以上；固化方法與上相同；

（4）在水性聚氨酯噴涂工序中，主劑和固化劑配比要控制為8∶1；進行2遍噴涂，保證每一遍噴涂濕膜厚度控制范圍為80~100 μm；總干膜的厚度控制范圍為70~80 μm；固化時第一種方法為2h，60℃冷卻至正常室溫，第二種方法為16 h室溫條件下固化；

（5）在水性聚氨酯底色漆工序中，主劑和固化劑配比要控制為100∶4；濕膜厚度控制范圍為40~60 μm；總干膜的厚度控制范圍為20~30 μm；固化時第一種方法為30 min，40℃冷卻至正常室溫，第二種方法為1 h室溫條件下固化；

（6）在水性聚氨酯清漆工序中，主劑和固化劑配比要控制為2∶1；進行2遍噴涂，保證每一遍噴涂濕膜厚度控制范圍為40~60 μm；總干膜的厚度控制范圍為40~50 μm；固化時第一種方法為2 h，60℃冷卻至正常室溫，第二種方法為16 h室溫條件下固化。

3 施工特點

在水性涂料施工中所采用的施工方法，很大程度上取決水性涂料的具體組成，水性涂料中水作為主要稀釋劑，相較溶劑類涂料在施工工藝上有諸多差別之處。統(tǒng)計水和部分有機溶劑的部分物化特點如表2所示，能夠發(fā)現(xiàn)水有著較大的表面張力，在濕潤性方面較差，所以水性涂料極易出現(xiàn)表面縮孔、流掛等情況；水還擁有較大蒸發(fā)熱容值，想要水性涂料徹底干燥所需消耗能量更多，因此，在相同條件下，就需要更長的水性涂料干燥周期，也就進一步加劇了水性涂料發(fā)生流掛的特點。

表2 水和有機溶劑部分物化特性Tab.2 Partial physicochemical properties of water and organic solvents

3.1 作業(yè)環(huán)境

水性涂料和溶劑類涂料相同，在較高的施工環(huán)境溫度下，水性涂料也會在短時間內(nèi)揮發(fā)，在基材表面噴涂水性涂料，還未能充分將表面全部潤濕，就會造成涂膜的表面延展性、流平效果較差，并且表面還極易出現(xiàn)針孔、縮孔等情況，無法保證基材表面的涂膜美觀性。在低溫環(huán)境中可以減緩水性涂料的揮發(fā)速率，但是涂膜又極易發(fā)生流墜情況。對于此類水性涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀，可以添加不同沸點的溶劑，對揮發(fā)速率進行調(diào)整，例如：添加苯類、醇類溶劑，讓水性涂料的揮發(fā)過程出現(xiàn)階梯狀，這樣的話可以保證溶劑類涂料的最終涂膜流平效果。

因為水性涂料自然水作為溶劑主體，在一定涂抹環(huán)境條件下，水能夠達(dá)到相對固定的揮發(fā)速率，在添加其他溶劑時需要考慮水的相容性，這就要求要在一定程度上對水性涂料的噴涂溫度條件嚴(yán)格規(guī)定。水性涂料相較溶劑型涂料，在施工范圍方面可調(diào)整范圍比較狹窄，還要注意水性涂料的存放溫度條件，嚴(yán)禁溫度在0℃以下。

水的揮發(fā)速率密切相關(guān)所在的環(huán)境溫度和相對濕度條件，根據(jù)以往研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相對濕度一定條件下，隨著逐漸升高的水性涂料施工溫度，涂膜表現(xiàn)效果變好之后又變差。所以需要控制水性涂料的溫度范圍在20~27℃。同樣，如果所處空氣相對濕度較大，水的揮發(fā)速率較緩，這對于水性涂料的涂膜干燥反應(yīng)來說十分不利，延長揮發(fā)時間必定會對涂膜鹽霧、老化等性能造成極大影響。反之如果所處空氣相對濕度較小，面對較快的揮發(fā)速率，同樣會對水性涂料的流平造成影響，進而無法保障涂膜的美觀性。根據(jù)以往研究結(jié)果表明，在溫度一定條件下，隨著相對濕度的逐漸增加，水性涂料的涂膜綜合性先好后差，需要控制濕度在30%~70%為適宜范圍。

3.2 涂料調(diào)配

因為多數(shù)水性涂料均選用雙組分涂料，再加上較高的水性涂料固含量，所以需要在涂裝之前完成調(diào)配，那么在調(diào)配中所要注意問題包括以下4點：

（1）水性涂料主劑因為長期放置發(fā)生表面結(jié)皮，其中部分顏料有所沉積，這是水性涂料常見情況，所以應(yīng)當(dāng)在涂裝之前充分?jǐn)嚢柰苛系闹鲃ＷC主劑可以最大化分散，但要注意所用產(chǎn)品超過使用期限；

（2）在攪拌過程中可以逐漸加入固化劑，方便分散，能夠完成主劑、固化劑之間的初步固化反應(yīng)，這樣的話能夠有效避免在局部發(fā)生過激反應(yīng)，最終出現(xiàn)不均勻固化或大量氣泡的情況；

（3）因為水性涂料作為假塑性流體，流體的黏稠度與剪切率二者呈負(fù)相關(guān)，逐漸增加剪切率，相應(yīng)的流體黏度隨之減少。此類假塑性流體所發(fā)生的流變行為又有關(guān)于流變路徑，與時間也存在依賴性，所以也可以稱作觸變性流體。那么水性涂料的黏度也就有關(guān)于具體的剪切速率與具體歷程。考慮到以上特點，通過運用黏度杯對水性涂料的黏度進行測量不具備重現(xiàn)性，需要使用旋轉(zhuǎn)粘度計測量低剪切速率與高剪切速率中數(shù)據(jù)點流變曲線，從而給出流變行為的完整性。考慮到水性涂料在涂裝現(xiàn)狀的技藝特點，并不能夠全部滿足旋轉(zhuǎn)粘度計的現(xiàn)狀測量，可以在涂裝中根據(jù)操作人員的噴涂經(jīng)驗，對加水量進行調(diào)整來完成水性涂料噴涂；

（4）去離子水pH控制，在對水性涂料進行調(diào)配中，應(yīng)當(dāng)將去離子水加入其中，盡可能避免偏酸性、偏堿性離子。在引入酸性、堿性物質(zhì)之后，會很大程度上對水性涂料的乳膠狀態(tài)造成較大影響，降低涂膜流平與填充性，甚至?xí)袒磻?yīng)造成影響。硫酸離子引入水性涂料影響如圖2所示。

圖2 硫酸離子引入水性涂料影響Fig.2 Influence of sulfuric acid ions on waterborne coatings

3.3 噴涂步驟

在水性涂料噴涂之前，一定要清洗噴涂設(shè)備，可以優(yōu)先選擇去離子水，之后再應(yīng)用水星清洗劑，通常運用醚類水性清洗劑，最終使用去離子水完成水清洗。

首先，在表面預(yù)處理步驟。水性涂料相較溶劑型涂料，對噴涂前期的表面處理要求較高，鋁合金車體底材可以運用棕剛玉進行磨砂處理，控制磨砂粗糙度范圍在Ra3.2~12.5 μm之間。利用低水溶性相對分子質(zhì)量有機溶劑清洗被涂表面油污和其他污染物，然后用水清洗后用干凈擦布擦干表面；

其次，在水性底漆噴涂步驟。可以選用溶劑型環(huán)氧底漆噴涂方法，可是要確保這個噴涂過程必須一次性完成，也就是車體一端至另一端，完成連續(xù)噴涂。假若涂膜并未滿足這一技術(shù)要求，就要在第一遍噴涂徹底完成之后進行二次噴涂，直至達(dá)到涂膜技術(shù)要求。利用這一方法能夠避免間斷噴涂中發(fā)生涂層表面漆渣情況；

再者，在膩子和中涂步驟。涂裝膩子需要填補、找平，水性涂料體系內(nèi)目前常用不飽和聚酯膩子，在涂裝中的操作工藝相同于溶劑型涂料體系。中涂則是為了對底漆和膩子兩層的保護銜接作用，由于水性涂料有著較大的表面張力，所以需要首先對膩子表面完成中涂操作，最大化浸入水性涂料，從而有效消除膩子表面缺陷情況。再加上膩子層的吸水性，可以通過虛噴有效濕潤膩子表面，從而避免水性內(nèi)涂料噴涂中出現(xiàn)吃漆甚至縮孔問題。所以水性中涂步驟，可以少量多次地薄噴，這樣的中涂操作方法能夠保證表面狀態(tài)良好，使用P400號砂紙打磨。

最后，在面漆操作步驟。通常水性面漆會選用水性底色漆+清漆這樣的涂層體系，選用雙組分丙烯酸聚氨酯涂料，TDI、HDI固體劑，一定要密封保存固體劑。水性底色漆、清漆在噴涂中極易發(fā)生流掛、未流平情況，所以要對水性涂料黏度、濕膜厚度和噴涂的遍數(shù)反復(fù)確認(rèn)無誤，通常車體噴涂水性中涂與面漆噴涂前，均需要一名有豐富經(jīng)驗的操作者試槍噴涂。在噴涂過程中一定要重視兩方面，一方面是水性底色漆固含量較高，不利于分散，所以在噴涂中需要盡可能薄噴，也就是遮蓋前道涂層，否則會在涂膜表面造成顏料堆積形成小顆粒的情況。如果噴涂厚度過大，涂膜表面就極易發(fā)花，在噴涂珠光底色漆時就會比較嚴(yán)重。另一方面是水性清漆并不包含顏料，自然無需考慮分散問題，所以應(yīng)當(dāng)確保涂膜具備良好流平性。

4 水性涂料涂裝使用中遇到問題及解決措施

（1）在對軌道裝車涂層進行前處理中，水性涂料的溶劑表面能力可達(dá)72 mN/m，與溶劑涂料25 mN/m的表面能力相較明顯更高，因此水性涂料的應(yīng)用潤濕效果就會比溶劑涂料差。那么應(yīng)用于軌道車輛的光滑鋁合金表面，也就無法達(dá)到“潤濕”效果，在前處理之后車體表面假若沾有油脂類雜質(zhì)，也極易造成涂層縮孔情況。因此需要在涂裝前期對軌道車輛進行打砂處理，保證水性涂料能夠和車輛表面的附著力較好。

（2）在調(diào)配水性涂料階段，由于水性漆的較大觸變性，極易產(chǎn)生剪切力影響，所以需要注意在調(diào)配階段的速度適中，如果攪拌速度過快會對整體性能造成影響，甚至?xí)?dǎo)致軌道車輛涂層失敗。所以對起動攪拌器的攪拌速度要嚴(yán)格控制，加入固化劑的同時勻速攪拌，直至攪拌均勻之后加入去離子水進行稀釋。以目前軌道車輛加入使用前的驗證規(guī)定，要對去離子水的添加量嚴(yán)格控制，可以參考黏度杯（T-4）完成定量，依據(jù)軌道車輛的涂層質(zhì)量，對去離子水的加入量不斷調(diào)整，保證水性涂料的涂層性能。

（3）水性涂料使用階段。完成水性涂料的基料和固化劑之后，除了體系內(nèi)會發(fā)生多元醇與異氰酸酯反應(yīng)作用，異氰酸酯和水之間也就自然發(fā)生反應(yīng)。隨著反應(yīng)時間的逐漸延長，隨之?dāng)U大異氰酸酯的無效消耗用量，相應(yīng)的也會降低涂層交聯(lián)度，破壞漆膜的整體性能。這時在水性漆的外觀上并未發(fā)生明顯變化，假若依然選用過期的水性涂料，就會造成涂層不干、耐溶劑性能較差、附著力不強等涂層不穩(wěn)定情況。

（4）水性涂料使用環(huán)境。由于水性涂料以去離子水為溶劑，水本身有較大的表面張力，涂裝表面的濕潤性較差，所致水性漆極易發(fā)生流掛、縮孔、“痱子”等情況。再加上水蒸發(fā)熱這一特性，與溶劑涂料相比明顯更大，那么同樣條件下水就需要更久的揮發(fā)時間，這個長時間揮發(fā)過程自然對水性漆干燥產(chǎn)生較大影響。所以水性涂料在使用過程中，需要對環(huán)境條件嚴(yán)格控制在15~30℃的溫度，30%~80%的相對濕度，0.5 m/s以內(nèi)的噴漆室內(nèi)風(fēng)速，并且因為水性漆的水分揮發(fā)速度較緩，需要在完成噴涂之后，流平半小時置于60℃下烘烤2 h。

5 結(jié)語

總而言之，水性涂料相較傳統(tǒng)溶劑型涂料，具備了美觀、安全、環(huán)保的工藝優(yōu)勢，可以滿足軌道車輛的涂裝使用需求。可是需要注意在軌道車輛涂裝所用環(huán)保水性涂料過程中的一系列問題，嚴(yán)格遵循相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在作業(yè)環(huán)境、涂料調(diào)配、噴涂步驟等方面，要注意打砂處理、調(diào)整去離子水的加入量、嚴(yán)格控制水性涂料的基料與固化劑混用后的使用時間、噴涂環(huán)境，保證軌道車輛的涂裝施工質(zhì)量，發(fā)揮水性涂料的產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)格把控施工參數(shù)，實現(xiàn)減少VOC排放的環(huán)保目標(biāo)。